Desenvolvimento de Técnicas de Controle de um Robô Móvel para Soldagem Automática de Tubulações e Chapas Aluno: Henrique Reis Santiago Orientador: Marco AntonioMeggiolaro Co-orientador: Daniel Freitas Introdução Na atualidade, mais de 50 diferentes processos de soldagem são aplicados industrialmente, e a solda é a mais importante técnica para a junção permanente de metais. Pode-se notar tal importância pela forte presença dos processos de soldagem em diferentes áreas da indústria e pela pesquisa voltada para o desenvolvimento de novos aços e outras ligas metálicas de melhor soldabilidade. Dentre as áreas principais da indústria que utilizam processos de soldagem, estão a automobilística, a naval e a de óleo e gás. Um estudo realizado nos estaleiros do Rio de Janeiro mostra que a utilização incorreta das técnicas de soldagem, gerando distorções e tensões residuais, é o elemento mais relevante para uma baixa produtividade se comparado a de países desenvolvidos. Além disso, no estudo em questão, constatou-se também a influência do fator humano na produção, dado o baixo fator de operação (tempo efetivo) e falta de replicabilidade no processo. Desse modo, o estudo e desenvolvimento de um sistema robótico para a soldagem é de extremo interesse para o setor industrial. Não só acarreta numa maior produção como também numa melhor qualidade do produto final, pois os parâmetros da solda podem ser controlados, analisados um a um, e uma vez estabelecidos os parâmetros ótimos esses serão repetidos de forma confiável. Análise de testes previamente realizados O sistema robótico já desenvolvido no laboratório de robótica foi projetado visando otimizar a soldagem de tubulações na indústria. O primeiro protótipo desenvolvido conta com 4 rodas magnéticas, dois motores de passo, um para a tocha e outro para a tração nas rodas traseiras, suporte para a tocha, uma tocha adaptada, uma caixa de redução para as rodas traseiras e um módulo para a eletrônica. O suporte da tocha está acoplado a um parafuso sem fim, ligado ao motor e responsável pela movimentação da tocha, perpendicular ao deslocamento da base. O motor de passo gira o parafuso e, consequentemente, translada a tocha. Com o uso das rodas magnéticas, o robô consegue se fixar nas chapas e tubos sem o uso de cintas, como ocorre com a maioria dos outros sistemas robóticos presentes no mercado. Para controlar o sistema robótico, foi desenvolvida também uma maleta de controle, que permanece ligada ao robô por fios. Na maleta, o operador pode determinar parâmetros do robô essenciais no processo de soldagem, como: velocidade de avanço da base, frequência de oscilação da tocha e amplitude da oscilação da tocha, além de iniciar e parar o processo de solda no robô. Uma vez obtidos os parâmetros ideais, a solda de mesma qualidade pode ser reproduzida inúmeras vezes.
Figura 1. Maleta de controle Figura 2. Primeira versão do robô soldador O projeto foi testado na empresa Immatec, voltada para a produção de tanques de armazenamento de combustíveis. Durante o teste, foi possível analisar a qualidade da solda do robô, bem como seu funcionamento em condições reais na indústria. O processo de soldagem aplicado para a confecção dos tanques consiste fabricação de tubos calandrados a partir de chapas de aço e soldando as suas extremidades e posteriormente unindo diversos tubos. Os tubos são biselados e posicionados lado a lado para que o robô possa dar o passe do cordão de solda unindo os tubos. Por fim, soldam-se as tampas dos tanques nas extremidades do tubo.
Figura 3. Tubos prontos para a união à esquerda e tanque pronto à direita Para que a solda possa ser realizada, foram testados os parâmetros de solda numa chapa do mesmo material. Uma vez que estes proporcionaram um cordão satisfatório, o robô começou a soldar os tubos. O cordão pode ser considerado satisfatório quando a solda não possui trincas, escavações ou porosidades, e tem boa penetração e boa fusão. Figura 4. Testes para obtenção dos parâmetros, realizados de baixo para cima
Figura 5. Robô durante a soldagem externa dos tubos Resultados e discussões Após o término da confecção dos tanques, foi possível analisar a qualidade da solda aplicada. Com os parâmetros adequados, os cordões obtiveram aprovação do controle de qualidade da empresa. Durante a fabricação, o principal problema encontrado foi o desvio da base robótica do percurso desejado. Esse mesmo problema ocorreu também durante a obtenção dos parâmetros, como mostra o segundo cordão da Figura 3. As possíveis causas foram: Peso dos fios de alimentação da tocha e da eletrônica; Respingos de solda previamente realizada e outros tipos de impurezas na superfície do tanque; Imperfeições (deformações) na superfície do tanque, fazendo com que uma das rodas perdesse contato com o solo. Empenamento da tampa devido ao peso da tocha e de seu suporte Modificações Para solucionar os problemas citados, propuseram-se as seguintes modificações no projeto original: a adição de um novo motor, a adição de um sensor de efeito Hall e uma nova base para o robô. Dessa forma, o sistema robótico se torna capaz de identificar o bisel e realizar correções na sua trajetória durante o processo de soldagem, além de ter uma estrutura mais rígida. A locomoção atual do robô de solda conta apenas com um motor de passo modelo PK268M-02A, classificação NEMA 23, usado para mover as duas rodas traseiras, e uma caixa de redução com um pinhão e um parafuso sem fim com redução de 20:1. Esse sistema de redução foi escolhido por apresentar uma alta taxa de redução e ser extremamente compacto, ao contrário de um sistema com engrenagens cônicas ou de uma caixa de redução com engrenagens de dentes retos, por exemplo. Isso é possível porque cada volta do parafuso sem fim acoplado ao motor de passo faz o pinhão rodar um apenas um dente. Dessa forma, quando a engrenagem movida completar uma volta, o parafuso sem fim terá dado o número
de voltas equivalente ao número de dentes da engrenagem, no caso, 20 dentes. Numa caixa de com engrenagens de dentes retos, a engrenagem movida teria um diâmetro muito maior para a mesma redução, mesmo que o módulo seja pequeno. Ao adicionar um segundo motor e caixa e tornar cada um responsável pelo movimento de uma das rodas traseiras, o robô se torna capaz de realizar curvas. Figura 6.Caixa de redução com parafuso sem fim O sensor Hall servirá para indicar em qual direção o robô deverá fazer a curva para permanecer soldando no bisel. O sensor funciona medindo a tensão gerada pelo efeito Hall, descoberto pelo físico Edwin Hall em 1879, num circuito com um eletroímã que ficará acima do bisel. Essa tensão surge de um desvio dos elétrons que passam num circuito com uma chapa fina condutora ao sofrerem o efeito de um campo magnético perpendicular à chapa e a direção do movimento dos elétrons. Nesse momento, aparece a força de Lorentz, proporcional a carga da partícula em questão, da velocidade da mesma e da intensidade do campo, com direção e sentido determinados pela regra da mão direita. A força irá desviar os elétrons para uma das extremidades da chapa condutora, gerando uma diferença de potencial nessa parte do circuito, a tensão de Hall. O sensor irá obter o valor dessa tensão gerada, normalmente em microvolts (µv) e amplifica-la para enviar como output.
Figura 7. Efeito Hall Durante o processo de soldagem, o sensor permanecerá ligado acima do bisel, enviando leituras para o robô. Caso haja algum desvio indesejado, a leitura enviada irá mudar e, o robô poderá realizar as correções até retornar para a leitura original. Figura 8. Sensor de efeito Hall Para poder suportar as novas modificações e não possuir os problemas estruturais antigos, a base do sistema robótico também foi reprojetada. A nova base é unibody, com paredes internas para dar maior suporte para a tampa. Um chassi ou base unibody é uma base fresada a partir de um único bloco sólido. Dessa forma, o robô pode ter paredes e compartimentos internos e não será necessário usar parafusos para montar todo o chassi. Ela também ficou maior em função da segunda caixa de redução e do maior espaço necessário para a eletrônica com o sensor Hall. Além disso, a tampa ficou mais grossa. Desse modo, espera-se resolver os problemas estruturais existentes com a estrutura mais rígida.
Figura 9. Base Unibody Abaixo, pode-se observar na figura 10 a montagem do novo robô de solda. Para poderfixar o sensor, duas guias de alumínio são utilizadas. Figura 10. Imagem renderizada da nova versão robô de solda completo, gerado no software SolidWorks Conclusão A soldagem, hoje, está entre os principais métodos de fabricação da indústria. Junto com seu desenvolvimento, é necessário também a criação de novas tecnologias para otimizar o processo. O sistema robótico desenvolvido no laboratório de robótica busca automatizar o processo de soldagem, tornando-o mais eficiente e melhorando a qualidade do produto final.
Após os testes realizados no primeiro protótipo, puderam-se notar algumas falhas não previstas anteriormente. Baseado nesses resultados, uma nova versão do robô de solda foi proposta com alterações para solucionar os problemas. Com a nova base, o segundo sistema para locomoção e o sensor Hall, espera-se que o robô tenha uma estrutura mais rígida e consiga fazer correções na sua trajetória. Referências 1- MODENESI, P.J., MARQUES, P.V., BRACARENSE, A.Q.. Soldagem fundamentos e tecnologia. 3ed. UFMG, 2005. 2 VASCONCELOS, Alexandre Maioli, ZEEMAN, Annelise, TAPIA, Marta. Análise da sequencia de soldagem em painéis típicos navais. Rio de Janeiro, 2014. Projeto de Graduação (Engenharia Naval e Oceânica) - Universidade Federal do Rio de Janeiro. 3- SENAI. Noções Básicas de Processos de Soldagem e Corte. Espírito Santo, 1996. 4-POPOVIC, R.S.. Hall Effect Devices, Second Edition. 2ed. CRC-Press, 2003. 5-MEGGIOLARO, Marco Antonio. Riobotz Combot Tutorial. Rio de Janeiro, 2009.